【文章內(nèi)容簡介】 ：極軸式全跟蹤和高度角 方位角式全跟蹤。 (1)極軸式全跟蹤 極軸式全跟蹤是指聚光鏡的一 軸指向地球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸。另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。反射面繞極軸用與地球自轉(zhuǎn)角速度相同方向相反的固定轉(zhuǎn)速進行跟蹤，反射鏡按照季節(jié)時間的變化圍繞赤緯軸作俯仰運動以適應(yīng)赤緯角的變化。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但從力學(xué)角度分析，在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支撐裝置的設(shè)計比較困難。 (2)高度角 方位角全跟蹤 高度角 方位角全跟蹤建立在地平坐標系基礎(chǔ)上，兩軸分別為方位軸和俯仰軸，方位軸垂直于地面，俯仰軸垂直于方位軸。根據(jù)太陽角度的計算方法，工作時反射鏡根據(jù)太陽位置的理論計算值 ，繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變反射鏡的傾斜角，使反射鏡的主光軸始終與太陽光線平行。這種跟蹤裝置的跟蹤準確度高，而且反射鏡的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支持機構(gòu)容易設(shè)計。但是在計算太陽角的過程中容易出現(xiàn)誤差，影響跟蹤準確度。 太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 第 4 頁 共 54 頁 程序跟蹤是根據(jù)當?shù)氐乩砦恢煤蜁r間等利用程序計算出當前太陽位置，并根據(jù)計算結(jié)果驅(qū)動聚光器向目標點運動，程序跟蹤的優(yōu)點是具有較高的適應(yīng)性，在任何氣候條件下都能穩(wěn)定地跟蹤，但是算法復(fù)雜，現(xiàn)場控制器需要實時進行大量的計算，這就要求現(xiàn)場控制器具很高的數(shù)據(jù)處理能力和較大的數(shù)據(jù) 存儲空間，程序跟蹤還需要兩個運動軸的高精度角度傳感器作為本地定位檢測，程序跟蹤系統(tǒng)成本較高。程序跟蹤方法的控制系統(tǒng)構(gòu)成是采用開環(huán)控制方法，由于跟蹤裝置結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性導(dǎo)致跟蹤存在累積誤差，需要定期校正；在跟蹤過程中，系統(tǒng)自身無法對機構(gòu)的傳動誤差、地基及天體運行軌道的變化產(chǎn)生的誤差進行修正，跟蹤精度會隨著時間的推移而降低，因此也需要定期校正。 傳感器跟蹤是利用傳感器實時檢測太陽光線的入射角，當入射光線與傳感器主光軸的偏差超過設(shè)定值時，通過電機驅(qū)動跟蹤機構(gòu)運動，減小偏差，傳感器跟蹤的優(yōu)點是能夠?qū)崟r檢測太陽光線的入射 方向，無累積誤差。但高精度的傳感器跟蹤系統(tǒng)受光學(xué)系統(tǒng)的限制，在太陽光線偏離傳感器基準軸線一定角度后就無法跟蹤。 程序跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的方式是指跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用程序、傳感器混合控制的方法，采用簡化的太陽位置算法對太陽光線粗略跟蹤，當粗跟蹤結(jié)果滿足精確跟蹤要求，即精確跟蹤傳感器能夠捕捉到太陽光線時，再利用光線跟蹤傳感器精確定位。由于粗跟蹤采用了簡化的數(shù)學(xué)算法，因此可以用成本較低的控制器代替昂貴的控制器。程序跟蹤可以克服單一的傳感器跟蹤存在的跟蹤范圍窄，粗跟蹤不穩(wěn)定的問題，而傳感器精確跟蹤避免了程序跟蹤需要定時 修正的問題。 目前比較先進的程序跟蹤方法是根據(jù)太陽軌跡算法的分析，太陽軌跡位置由觀測點的地理位置和標準時間來確定。在應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng) (GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準確定位和跟蹤的高準確性和高可靠性。 在設(shè)定跟蹤地點和基準零點后，控制系統(tǒng)會按照太陽的地平坐標公式自動運算太陽的高度角和方位角。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽軌跡每分鐘的角度變化發(fā)送驅(qū)動信號，實現(xiàn)跟蹤裝置兩維轉(zhuǎn)動的角度和方向變化。在日落后，跟蹤裝置停止跟蹤，按照原 有跟蹤路線返回到基準零點。從目前來看國內(nèi)外開發(fā)跟蹤系統(tǒng)以雙軸跟蹤系統(tǒng)為主，比較前沿的技術(shù)大都采用程序跟蹤與傳感器跟蹤相結(jié)合的跟法。 考慮到成本問題單軸跟蹤系統(tǒng)也有研究。 華北科技學(xué)院 第 5 頁 共 54 頁 項目研究的主要內(nèi)容及預(yù)期目標 基于單片機的太陽能跟蹤器開發(fā)出來并且投入市場。它們也都具有雙軸跟蹤，自動調(diào)整，適應(yīng)能力強等特點。但是同時存在一些不足，比如精度不高，價格昂貴。不具備程控接口，不利于擴展。本設(shè)計提出一種有通信功能的跟蹤器，具有程序變更容易，精度可調(diào)，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。該系統(tǒng)采用光時互補的方法，單片機從外接時鐘模塊讀入當?shù)貢r 間，計算出太陽的空間位置。然后從電腦中即上位機輸入當?shù)氐乩硇畔⒓唇?jīng)緯度，結(jié)合以上計算的太陽空間位置，計算出太陽高度角與方位角，經(jīng)過單片機處理之后輸出驅(qū)動信號調(diào)整角度到指定位置，再啟動光電跟蹤程序，對角度進行微調(diào)。當變更地理位置時只要用電腦，改變特 定地理位置對應(yīng)的輸出數(shù)表，將數(shù)據(jù)傳入到存儲器中即可?？傊摳櫰骶哂懈櫨雀?，使用靈活方便，抗干擾能力強。有著較廣闊的市場前景。 本次設(shè)計是采用 STC12C5A60S2 作為 CPU，要實現(xiàn)光電傳感模塊的設(shè)計：以GL5516 光敏電阻作為基本元件設(shè)計出光電傳感器，其可 以不僅可以將東西，南北方向的光強差傳化為電壓信號，還要將光照強度信號傳入單片機，供單片機識別是否有云霧遮擋，以此來決定是否停止光電跟蹤程序；還要設(shè)計穩(wěn)定可靠的CPU 模塊，包括外圍的晶振電路，供電電源，復(fù)位電路等；步進電機的選型，以及它的驅(qū)動電路設(shè)計，而且由于本設(shè)計中跟蹤精度要求很高，所以要求選擇精度較高的步進電機。另一個很重要的就是控制程序的編寫，要實現(xiàn)視日軌跡跟蹤粗定位，光電跟蹤作為補充。 預(yù)期實現(xiàn)電路相對簡單，結(jié)構(gòu)緊湊 ，硬件成本較低，的硬件電路。采用上位機通信，地理信息調(diào)整方便可靠，靈活。太陽高度角采 用 30 分鐘調(diào)整一次，方位角采用 30 分鐘調(diào)整一次。這樣可以避免電機盲目轉(zhuǎn)動，大大的節(jié)省電機轉(zhuǎn)到帶來的能耗。從而使跟蹤系統(tǒng)更加高效率?？梢宰詣诱{(diào)整誤差，當烏云遮擋時可以自動停止跟蹤，夏天早晨 6 點啟動系統(tǒng)，當光照強度足夠時，追蹤系統(tǒng)程序啟動，晚上光照低于一定程度時。將太陽電池板自西向東調(diào)整到原位停止系統(tǒng)。 太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 第 6 頁 共 54 頁 第 2章 太陽能電池板跟蹤相關(guān)理論研究 太陽的運行規(guī)律 太陽高度角，方位角及時角介紹 太陽視位置指從地面上看到的太陽的位置，用太陽高度角和太陽方位角兩個角度作為坐標表示。太陽高度角指從太陽中心直射到當?shù)氐墓饩€ 與當?shù)厮矫娴膴A角，其值在 0176。到 90176。之間變化，日出日落時為零，太陽在正天頂上為 90176。 太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。方位角以正南方向為零，由南向東向北為負，由南向西向北為正，如太陽在正東方，方位角為 90176。，在正東北方時，方位為 135176。，在正西方時方位角為 90176。， 在正北方時為 177。180176。 太陽高度角與地面的太陽光強弱密切相關(guān)。早晚與中午的光強有很大的差異，原因就在于太陽高度角的不 同。在晴天條件下，太陽光的強弱與太陽高度角的正弦成正比。因此了解太陽高度角對分析地面的太陽光強有重要的意義。 日面中心的時角，即從觀測點天球子午圈沿天赤道量至太陽所在時圈的角距離。以地球為例，在地球上，同一時刻，對同一經(jīng)度，不同緯度的人來說，太陽對應(yīng)的時角是相同的。單位時間地球自轉(zhuǎn)的角度定義為時角 w，規(guī)定正午時角為0176。，上午時角為負值，下午時角為正值。地球自轉(zhuǎn)一周 360176。，對應(yīng)的時間為 24小時，即每小時相應(yīng)的時角為 15176。 太陽高度角及方位角計算公式 根據(jù)下圖所示，設(shè)天球半徑為 R，則太陽在坐標 系二中的坐標為： x39。=Rcosω ， y39。=Rcosδsinω， z39。=Rsinδ (1) 坐標系二繞 Y 軸的旋轉(zhuǎn)矩陣為 : (2) 0000c os(90 ) 0 si n(90 )0 1 0si n(90 ) 0 c os(90 )A???????? ? ???????華北科技學(xué)院 第 7 頁 共 54 頁 根據(jù) [x, y, z] = [x39。, y39。, z39。]A， 可得太陽在坐標系一中的坐標： x = R(cosδcosωsinФsinδcosФ) y = Rcosδsinω z = R(sinФsinδ+cosФcosδcosω) 因此，可求 得太陽高度角 h，方位角 A 計算公式分別為： sinh = z/R = sinФsinδ+cosФcosδcosω (3) cos(A180176。) = x/(Rcosh) = ( cosδcosωsinФsinδcosФ)/cosh = (sinhsinФsinδ)/(coshcosФ) (4) sin A= cosδsinω/cosh (5) 圖 太陽位置示意圖 對某一地點來說當?shù)氐乩砭暥?Ф 是確定 的，太陽赤緯角 δ、太陽時角 ω 是太陽在赤道坐標系中的位置，只要算出 δ、 ω兩個參數(shù)值便可得出太陽在地平坐標中的位置。 上圖中 τ 即時角 ω。實際應(yīng)用中，全球定位系統(tǒng) (GPS)可為系統(tǒng)提供精度很高的地理經(jīng)緯度和當?shù)貢r間，控制系統(tǒng)則根據(jù)提供的地理、時間參數(shù)來確定即時的太陽位置，以保證系統(tǒng)的準確定位和跟蹤的高準確性和高可靠性。這是比較先進的跟蹤系統(tǒng)。考慮到成本本設(shè)計沒有采用定位系統(tǒng)。而是采用通訊的方法。 圖 4 太陽位置示意圖 F ig . 4 S u n p o si ti o n il l u stra ti o n 900Ф δ h τ A 地平圈 天赤道 太陽 天球 南 北 X X ’ Y (Y ’ ) Z Z ’ 太陽 太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 第 8 頁 共 54 頁 太陽能電池板跟蹤參考坐標系 由于地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了太陽位置相對于地面 靜止物體的運動。這種變化是周期性和可以預(yù)測的。地球極軸和黃道天球極軸存在的一個23176。27′的夾角，引起了太陽赤緯角在一年中的變化。冬至?xí)r這個角為 23176。27′，然后逐漸增大，到春分時變?yōu)?0176。并繼續(xù)增大；夏至?xí)r赤緯角達到最大的 23176。27′。并開始減?。坏角锓謺r赤緯角又變?yōu)?0176。，并繼續(xù)減小，直到冬至，另一個變化周期開始。赤緯角可由 Cooper(1969)的近似計算公式求得： δ=2345sin[360(284+n)/365] （ 6） 式中， δ赤緯角， n年中的第幾天。 在一天當中，太陽赤緯變化很小 ，位置變化主要由地球自轉(zhuǎn)引起。一天當中隨時間變化引起的太陽位置的變化可由太陽時角ω表示，太陽在正午時為 0176。，每小時變化15176。，上午為正，下午為負。因此有： ω=(12T) 150 （ 7） 式中 ， T當?shù)貢r問。 圖 地平坐標跟蹤系統(tǒng)圖 圖 為地平坐標跟蹤系統(tǒng)，水平面為基本面，坐標為高度角 (用圓弧 GG′表示 )和方位角 (用圓弧 SG′表示 )，在跟蹤過程中，鉛垂軸 jj′相對于地平坐標系為靜止狀態(tài)，水平軸 dd′則在水平面內(nèi)繞鉛垂軸 轉(zhuǎn)動。圖 為極軸坐標跟蹤系統(tǒng)，天文赤道面為基本面，坐標為時角 (用圓弧 S′G′表示 )和赤緯 (用圓弧 GG′表示 )，跟蹤過程中極軸 jj′相對于極軸坐標系為靜止狀態(tài)，赤緯軸 dd′則在赤道面 (或其平行面 )內(nèi)繞極軸轉(zhuǎn)動。 因為在天球上的所有圓圈中，地平是在自然界中惟一能看到的在天空中被勾畫出的圓。同時由于鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準儀所定出的水平線是在幾何坐標系中惟一能容易直接觀測的參考方向，所以地平參考系一直是實用中必不可少的媒介系統(tǒng)。在實際觀測中，最重要的幾何坐標系就是以地方天文地平作為基本參考圈的地平坐 標系。因此目前多種太陽能發(fā)電裝置均采用地平坐標。 華北科技學(xué)院 第 9 頁 共 54 頁 光伏電池的特性分析 光伏電池的光伏效應(yīng) 當適當波長的光照到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。例如，當光照射到由 P 型和 N 型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 PN 結(jié)上時，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子 — 電子和空穴。由于 PN 結(jié)勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運動，離開勢 壘區(qū)，結(jié)果使 P 區(qū)電勢升高 ， N 區(qū)電勢降低， PN 結(jié)兩端形成生電動勢，這就是 PN 結(jié)的光伏效應(yīng)。如將 PN 結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會不斷地有電流流過電路， PN 結(jié)起了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。 溫度對光伏電池輸出特性的影響 圖 不同溫度下的光伏特性 （ a） 光伏電池的伏安曲線；（ b）光伏電池的功率電壓曲線 溫度上升將使光伏電池開路電壓 Voc 下降，短路電流則略微增大，日照強度不變時，不同溫度下的光伏電池的 效率變化很大 。由公式 MMPP Sp p????可 知其效率隨著溫度的上升而下降，即光伏電池轉(zhuǎn)換率具有負的溫度系數(shù)。所以在應(yīng)太陽能電池板自動跟